JP5897938B2

JP5897938B2 - Ｌｅｄ駆動装置

Info

Publication number: JP5897938B2
Application number: JP2012052767A
Authority: JP
Inventors: 光浩榎本; 一之宮島
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2012-03-09
Filing date: 2012-03-09
Publication date: 2016-04-06
Anticipated expiration: 2032-03-09
Also published as: JP2013187447A

Description

本発明は、ＬＥＤ（発光素子）を駆動するＬＥＤ駆動装置にかかり、特にＬＥＤ駆動電流の設定値を小さくしたときでもその電流値の精度が保たれるようにしたＬＥＤ駆動装置に関する。

ＬＥＤ、特に白色ＬＥＤは、例えばリチウムイオン電池を電源とする携帯電話機のディスプレイのバックライトや、小型パーソナルコンピュータのディスプレイのバックライト等として用いられている。

このようなバックライト等の用途で用いられるＬＥＤを駆動するＬＥＤ駆動装置は、通常では、例えば、図４に示すように、所定数のＬＥＤを直列接続したＬＥＤ負荷回路１０と、設定された輝度に応じて各ＬＥＤに駆動電流を供給するＬＥＤ駆動回路２０Ａと、参照電圧Ｖ２を生成してＬＥＤ駆動回路２０Ａに出力する参照電圧生成回路３０Ｃとを備えている。

ＬＥＤ駆動回路２０Ａは、ＬＥＤ負荷回路１０のＬＥＤ列に駆動電流を流すＮＭＯＳトランジスタＭＮ１と、非反転入力端子に参照電圧Ｖ２を入力し、反転入力端子にトランジスタＭＮ１のソース電圧Ｖ１を入力し、出力端子の信号をトランジスタＭＮ１のゲートに出力して、そのソース電圧Ｖ１が参照電圧Ｖ２に対応した電圧となるようにトランジスタＭＮ１を負帰還制御するオペアンプＯＰ１と、トランジスタＭＮ１のソースと接地との間に接続された抵抗Ｒ２とから構成されている。

参照電圧生成回路３０Ｃは、ＮＭＯＳトランジスタＭＮ３と、非反転入力端子に基準電圧Ｖ５を入力し、反転入力端子にトランジスタＭＮ３のソース電圧Ｖａを入力し、出力端子の信号をトランジスタＭＮ３のゲートに出力して、そのソース電圧Ｖａが基準電圧Ｖ５に対応した電圧となるようにトランジスタＭＮ３を負帰還制御するオペアンプＯＰ２と、トランジスタＭＮ３のソースと接地との間に接続された輝度調整用の可変抵抗Ｒａと、トランジスタＭＮ３のドレイン電流Ｉ１をミラーした電流Ｉ２を出力するようカレントミラー回路を構成するトランジスタＭＰ１，ＭＰ２と、トランジスタＭＰ２のドレインと接地との間に接続された抵抗Ｒ１とで構成され、トランジスタＭＰ２のドレインと抵抗Ｒ１の共通接続点に前記した参照電圧Ｖ２が生成するようになっている。

このＬＥＤ駆動装置では、ＬＥＤ負荷回路１０のＬＥＤに流れる電流Ｉ_LEDは、

となる。ここで、電圧Ｖ１は、

で求められる。ＶoffはオペアンプＯＰ１のオフセット電圧である。また、電圧Ｖ２は、

で求められる。ここで、

とする。ｎ３は抵抗Ｒ１とＲ２の抵抗比、ｎ２はトランジスタＭＰ１とＭＰ２のアスペクト比である。この結果、電流Ｉ_LEDは、式（１）〜（５）から、

となる。

式（６）において、電圧Ｖａ、Ｖoff、抵抗Ｒ２、比ｎ２，ｎ３の値は固定値であり、可変抵抗Ｒａの抵抗値を調整することで、ＬＥＤに流れる電流Ｉ_LEDを制御して、その輝度を調整することができる。

しかし、このとき、式（６）の「Ｖoff／Ｒ２」の項は固定の誤差要因であり、抵抗Ｒａの値を大きくして電流Ｉ_LEDを小さくしようとするとき、この誤差要因「Ｖoff／Ｒ２」の割合が相対的に大きくなって、小さな電流Ｉ_LEDを実現するときの精度劣化をもたらす。

この問題を解決することができるかもしれないＬＥＤ駆動装置として、図５に示すものがある（例えば、特許文献１参照）。このＬＥＤ装置は、図４のＬＥＤ駆動装置において、抵抗Ｒ１を固定バイアスＶｇがゲートに印加したＮＭＯＳトランジスタＭＮ４に置き換えた参照電圧生成回路３０Ｄを構成し、抵抗Ｒ２を複数並列のＮＭＯＳトランジスタ群ＭＮ２Ａに置き換えたＬＥＤ駆動回路２０Ｂを構成し、このＬＥＤ駆動回路２０Ｂでは、そのトランジスタ群ＭＮ２Ａの各トランジスタのオン／オフを電流制御回路２１で制御するようにしたものである。

この図５のＬＥＤ駆動装置では、図４の抵抗Ｒ２に相当するトランジスタ群ＭＮ２Ａのうちのオンするトランジスタの数を電流制御回路２１で切り替えて、トランジスタ群ＭＮ２Ａの合計抵抗値を調整することができるので、その合計抵抗値を可変抵抗Ｒａの調整に応じて調整すれば、その誤差要因による精度劣化を防ぐことが可能である。

特開２０１０−１３５３７９号公報

しかしながら、図５のＬＥＤ駆動装置は、複数のトランジスタからなるトランジスタ群ＭＮ２Ａのオンしたトランジスタ数を調整するものであり、この手法では切り替わりのビットの境があるため、リニアに合計抵抗値を調整することができず、ＬＥＤに流れる電流Ｉ_LEDをリニア調整することができないばかりか、トランジスタ群ＭＮ２Ａに多数のトランジスタが必要であることに加え、この内のトランジスタのオン／オフを制御する電流制御回路２１の構成が複雑となる問題がある。

本発明の目的は、ＬＥＤを駆動する駆動電流を小さくする際に、その駆動電流に含まれる誤差要因を小さくして駆動電流の精度低下を回避し、且つＬＥＤに流れる電流をリニアに調整できるようにしたＬＥＤ駆動装置を提供することである。

上記目的を達成するために、請求項１にかかる発明は、ＬＥＤ負荷回路に対してドレインから駆動電流を供給する第１のトランジスタと、該第１のトランジスタのソースに接続された第２のトランジスタと、前記第１のトランジスタのソースに現れる第１の電圧が第２の電圧に対応した電圧となるよう負帰還制御する第１のオペアンプと、前記ＬＥＤ負荷回路に流れる駆動電流の値を設定する可変抵抗と、該可変抵抗に流れる第１の電流に対応した第２の電流を流す第３のトランジスタと、該第３のトランジスタとドレインが共通接続されその共通接続点に前記第２の電圧を生成する第４のトランジスタと、前記第１の電流に対応して変化する第３の電圧を生成して前記第２および第４のトランジスタを制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記第２の電流が変化したとき、前記第４のトランジスタとの共働により前記第２の電圧をほぼ一定に保持することを特徴とする。
請求項２にかかる発明は、請求項１に記載のＬＥＤ駆動回路において、前記制御部が生成する前記第３の電圧は、前記第２および第４のトランジスタのゲートを共通に制御することを特徴とする。
請求項３にかかる発明は、請求項１又は２に記載のＬＥＤ駆動回路において、前記制御部は、前記第１の電流に対応する第３の電流が流れるゲートとドレインを接続した第５のトランジスタで構成され、該第５のトランジスタのドレインに前記第３の電圧が生成することを特徴とする。
請求項４にかかる発明は、請求項１又は２に記載のＬＥＤ駆動回路において、前記制御部は、前記第２の電圧が固定の第４の電圧になるよう前記第４のトランジスタを負帰還制御する第２のオペアンプからなることを特徴とする。

本発明によれば、ＬＥＤを駆動する駆動電流を小さくする際に、その駆動電流に含まれる誤差要因も小さくなるので、駆動電流の精度低下を回避できる。また、第２のトランジスタのオン抵抗の変化はリニアな変化となるので、駆動電流の設定値の分解能を高くすることもできる。さらに、構成も簡単となる。

本発明の第１の実施例のＬＥＤ駆動装置の回路図である。本発明の第２の実施例のＬＥＤ駆動装置の回路図である。本発明の第３の実施例のＬＥＤ駆動装置の回路図である。従来のＬＥＤ駆動装置の回路図である。従来の別のＬＥＤ駆動装置の回路図である。

＜第１の実施例＞
図１に本発明の第１の実施例のＬＥＤ駆動装置を示す。このＬＥＤ駆動装置は、所定数のＬＥＤを直列接続したＬＥＤ負荷回路１０と、設定された輝度に応じて各ＬＥＤを電流駆動するＬＥＤ駆動回路２０と、参照電圧Ｖ２を生成してＬＥＤ駆動回路２０に出力する参照電圧生成回路３０とを備えている。

ＬＥＤ駆動回路２０は、ＬＥＤ負荷回路１０のＬＥＤ列に駆動電流を流すＮＭＯＳトランジスタＭＮ１と、非反転入力端子に参照電圧Ｖ２を入力し、反転入力端子にトランジスタＭＮ１のソース電圧Ｖ１を入力し、出力端子の信号をトランジスタＭＮ１のゲートに出力して、そのソース電圧Ｖ１が参照電圧Ｖ２に対応した電圧となるようにトランジスタＭＮ１を負帰還制御するオペアンプＯＰ１と、トランジスタＭＮ１のソースと接地との間に接続された駆動電流設定用のＮＭＯＳトランジスタＭＮ２とから構成されている。

参照電圧生成回路３０は、ＮＭＯＳトランジスタＭＮ３と、非反転入力端子に基準電圧Ｖ５を入力し、反転入力端子にトランジスタＭＮ３のソース電圧Ｖａを入力し、出力端子の信号をトランジスタＭＮ３のゲートに出力して、そのソース電圧Ｖａが基準電圧Ｖ５に対応した電圧となるようにトランジスタＭＮ３を負帰還制御するオペアンプＯＰ２と、トランジスタＭＮ３のソースと接地との間に接続された輝度調整用の可変抵抗Ｒａと、トランジスタＭＮ３のドレイン電流Ｉ１をミラーした電流Ｉ２を出力するようカレントミラー回路を構成するトランジスタＭＰ１，ＭＰ２と、トランジスタＭＰ２のドレインと接地との間に接続されたＮＭＯＳトランジスタＭＮ４と、トランジスタＭＮ３のドレイン電流Ｉ１に応じてトランジスタＭＮ２，ＭＮ４のゲートを制御する電圧Ｖ３を生成する制御部３１とで構成され、トランジスタＭＰ２のドレインとトランジスタＭＮ４のドレインの共通接続点に前記した参照電圧Ｖ２が生成するようになっている。

なお、請求項との関係では、トランジスタＭＮ１，ＭＮ２，ＭＰ２，ＭＮ４がそれぞれ第１、第２、第３、第４のトランジスタに相当する。また、電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４がそれぞれ第１、第２、第３、第４の電圧に相当する。

となる。ここで、Ｒds２はトランジスタＭＮ２のオン抵抗である。電圧Ｖ１は、

で求められる。Ｒds４はトランジスタＭＮ４のオン抵抗である。ここで、

とする。ｎ１はトランジスタＭＮ２とＭＮ４のアスペクト比、ｎ２はトランジスタＭＰ１とＭＰ２のアスペクト比である。

この結果、電流Ｉ_LEDは、式（１１）〜（１５）から、

となる。

式（１６）において、Ｖａ、Ｖoff、ｎ１，ｎ２の値は固定値であり、可変抵抗Ｒａの抵抗値を調整することで、ＬＥＤに流れる電流Ｉ_LEDを制御して、その輝度を調整することができる。式（１６）の「Ｖoff／Ｒds２」の項は、前記した式（６）における「Ｖoff／Ｒ２」と同様に誤差要因となり、電流Ｉ_LEDの精度低下を招く。

しかし、本実施例では、トランジスタＭＮ２のゲート電圧Ｖ３が制御部３１によって制御されており、電流Ｉ_LEDを小さくするために可変抵抗Ｒａの値を大きな値に設定すると、電流Ｉ１，Ｉ２が小さくなり、電圧Ｖ３が低下してトランジスタＭＮ２のオン抵抗Ｒds２の値が大きくなるので、電流Ｉ_LEDが減少しＬＥＤ輝度が低下する。また、電流Ｉ_LEDに含まれる誤差要因「Ｖoff／Ｒds２」の値が小さくなり影響する割合が相対的に小さくなるので、電流Ｉ_LEDの精度低下を回避でき、電流Ｉ_LEDの設定値を小さくしてもその精度を高く保持することができる。また、その変化はリニア変化となるので、電流Ｉ_LEDの設定値の分解能を高くすることもできる。

なお、このときトランジスタＭＮ４のゲート電圧Ｖ３も同時に低下してそのオン抵抗Ｒds４も増大するので、電流Ｉ２が減少しても、参照電圧Ｖ２はその低下傾向が減殺され、ないしは安定化される。この参照電圧Ｖ２に連動する電圧Ｖ１も同様である。そして、電圧Ｖ３が低下すると、上記のように、トランジスタＭＮ２のオン抵抗Ｒds２の増大による電流Ｉ_LEDの減少で、ＬＥＤ輝度が低下する。つまり、輝度変化はもっぱらトランジスタＭＮ２のオン抵抗Ｒds２の変化によって行われることになる。

＜第２の実施例＞
図２に第２の実施例のＬＥＤ駆動装置を示す。本実施例では、図１のＬＥＤ駆動装置における制御部３１を、トランジスタＭＰ１とカレントミラー接続されるＰＭＯＳトランジスタＭＰ３と、そのトランジスタＭＰ３の出力電流Ｉ３に応じて電圧Ｖ３を生成するゲートとドレインを接続したＮＭＯＳトランジスタＭＮ５と、で構成した参照電圧生成回路３０Ａを用いている。請求項との関係では、トランジスタＭＮ５は第５のトランジスタに相当する。

本実施例では、ＬＥＤ電流Ｉ_LEDを減少させるために、可変抵抗Ｒａの抵抗値を大きくして電流Ｉ１を減少させると、電流Ｉ３が減少する。このため、トランジスタＭＮ５のドレイン電圧Ｖ３が低下する。このため、トランジスタＭＮ２，ＭＮ４は、図１で説明したのと同様にトランジスタＭＮ２，ＭＮ４のオン抵抗Ｒds２，Ｒds４を増大させ、同様な動作が行われる。参照電圧Ｖ２は低下傾向が減殺される。

＜第３の実施例＞
図３に第２の実施例のＬＥＤ駆動装置を示す。本実施例では、図１のＬＥＤ駆動装置における制御部３１を、非反転入力端子がトランジスタＭＰ２のドレインとトランジスタＭＮ４のドレインの共通接続端子に接続され、反転入力端子に固定電圧Ｖ４が入力し、出力端子がトランジスタＭＮ２，ＭＮ４のゲートに接続されたオペアンプＯＰ３で構成した参照電圧生成回路３０Ｂを用いている。

本実施例では、ＬＥＤの電流Ｉ_LEDを減少させるために、可変抵抗Ｒａの抵抗値を大きくして電流Ｉ１を減少させると電流Ｉ２も減少する。このため、電流Ｉ２とトランジスタＭＮ４のオン抵抗Ｒds４の積によって決まる電圧Ｖ２が低下しようとするが、Ｖ２＝Ｖ４となるように、オペアンプＯＰ３とトランジスタＭＮ４が負帰還制御され、電流Ｉ２の減少に応じてオペアンプＯＰ３の出力電圧Ｖ３が低下するので、トランジスタＭＮ２，ＭＮ４のオン抵抗Ｒds２，Ｒds４が増大して、図１で説明したのと同様の動作が行われる。参照電圧Ｖ２は電圧Ｖ４に固定される。

１０：ＬＥＤ負荷回路
２０，２０Ａ，２０Ｂ：ＬＥＤ駆動回路、２１：電流制御回路
３０，３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄ：参照電圧生成回路、３１：制御部

Claims

ＬＥＤ負荷回路に対してドレインから駆動電流を供給する第１のトランジスタと、該第１のトランジスタのソースに接続された第２のトランジスタと、前記第１のトランジスタのソースに現れる第１の電圧が第２の電圧に対応した電圧となるよう負帰還制御する第１のオペアンプと、前記ＬＥＤ負荷回路に流れる駆動電流の値を設定する可変抵抗と、該可変抵抗に流れる第１の電流に対応した第２の電流を流す第３のトランジスタと、該第３のトランジスタとドレインが共通接続されその共通接続点に前記第２の電圧を生成する第４のトランジスタと、前記第１の電流に対応して変化する第３の電圧を生成して前記第２および第４のトランジスタを制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記第２の電流が変化したとき、前記第４のトランジスタとの共働により前記第２の電圧をほぼ一定に保持することを特徴とするＬＥＤ駆動回路。
請求項１に記載のＬＥＤ駆動回路において、
前記制御部が生成する前記第３の電圧は、前記第２および第４のトランジスタのゲートを共通に制御することを特徴とするＬＥＤ駆動回路。
請求項１又は２に記載のＬＥＤ駆動回路において、
前記制御部は、前記第１の電流に対応する第３の電流が流れるゲートとドレインを接続した第５のトランジスタで構成され、該第５のトランジスタのドレインに前記第３の電圧が生成することを特徴とするＬＥＤ駆動回路。
請求項１又は２に記載のＬＥＤ駆動回路において、
前記制御部は、前記第２の電圧が固定の第４の電圧になるよう前記第４のトランジスタを負帰還制御する第２のオペアンプからなることを特徴とするＬＥＤ駆動回路。